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四川大学黄光速教授团队:创新分子设计的粘弹性颗粒驱油剂成就老油田取得新胜利
2020-09-15  来源:高分子科技

  石油是国民经济的重要支柱。但我国原油对外依存度达到70%,远超50%的国际能源安全警戒线。我国东部老油田大多进入开采中后期,经过二次采油和三次采油的长期开发后,原油采收率大幅降低,再加之高温高盐等苛刻油藏条件,使得地下虽含有高达60-70%的原油,却只能望油兴叹,难于有效开采出来。聚合物驱后油田大幅度提高采收率是一个世界级的难题,尤其面临当前复杂多变的国际形势,能否创造出一种全新的驱油剂,有效开采出老油田大量的剩余油,成为保障我国能源安全的一个迫切任务。


  在国家油气田科技重大专项三个“五年计划”的持续支持下,针对聚合物驱后油藏和高温高盐油藏提高原油采收率的难题,四川大学黄光速教授团队和胜利油田产学研结合,原创性地提出了部分支化部分交联的粘弹性颗粒驱油剂(PPG)分子设计。深入系统的结构性能研究揭示,该分子结构将支化和交联结构在粘弹性颗粒驱油剂分子中结合为一体:其线型支化部分溶于水,增大了流体力学体积,可提供优异的悬浮性能和运移能力;交联网络结构吸水膨胀形成强且耐温抗盐的水凝胶骨架;通过支化链内增塑交联网络,显著提高了PPG的吸水能力、抗剪切和变形-恢复能力。这种创新的分子结构使得粘弹性颗粒驱油剂既克服了线性聚合物及其改性物封堵能力弱,耐温抗盐性差的缺点,又克服了全交联聚合物弹性过高,无法在地下运移的不足。有趣的是,该分子设计通过分子内支化交联并存的协同作用,将弹性驱油机制引入传统的粘性驱油机理中,使得PPG在聚驱后油藏中显示出特别优异的提高原油采收率的效果。相关技术申请发明专利17项,已获准授权中国发明专利10项和美国发明专利1项,获得的新原理和结构性能研究成果发表了SCI论文15篇。


图1  PPG分子结构示意图


  显然,如何实现该原创性的聚合物分子结构设计,并开发出生产成本低,易于实施的绿色工业化生产技术,是极具挑战性的难题。对此,黄光速教授团队首先创新研发出多官能助引发-交联剂一体化的技术:采用兼具助引发作用和能够提供多官能交联作用的前体,使聚合反应中部分活性链端基分别歧化终止形成支化结构和发生双基偶合终止形成交联结构。为了更灵活地调控部分支化/交联的分子结构,研究团队通过自创的方法学,成功研制出官能团数目各异,分子量及分子形状不同的多个系列的多官能团助引发-交联剂,为实现PPG结构性能调节提供了基础。中国工程院院士罗平亚评价其“创新性的合成制备出一种部分交联并含有大量支链的粘弹性颗粒驱油剂,具有突出的新颖性和独特的创造性。”


图2 生产装置和产品


  助引发-交联剂一体化技术的发明使得采用传统水溶液聚合,而不是相对昂贵和复杂的活性自由基聚合等实现部分支化部分交联结构的聚丙烯酰胺水凝胶的分子设计成为可能。但是如何稳定有效调节和控制分子结构中支化和交联结构的比率成为又一个技术难题。通过系统研究发现,在加入多官能助引发-交联剂的反应体系中,分子结构总体上受到活性分子链扩散的控制。如若采用动力学方法调控反应体系粘度升高的快慢,则可以通过调整分子链扩散速度,有效控制其歧化/偶合终止的比率。在此基础上,该团队系统关联了多种动力学因素对该反应体系粘度增长速度的关系,总结提出了反应动力学方程,成功实现了PPG支化/交联比率的有效控制。进一步地,创新采用体系反应温升曲线,产物粘弹性敏感参数等快速测定结果等效不同绝热界面的合成反应设备,指导不同吨位扩试试验的配方和工艺技术调整,该团队成功实现了PPG的规模化工业生产。对大规模工业化产品的严格质量检测表明:由该发明创造的技术工艺的确可以稳定实现并有效控制聚合物支化/交联的比率。由此从原创性分子设计做到了完整的交钥匙工程。中国科学院院士谢在库认为:整个工业化制备过程“合成工艺简单,反应转化率高,符合绿色化学的原子经济性,是突破性的进步”。


  通过固体核磁,二维红外,光散射等先进的现代测试技术,黄教授团队证实了PPG的分子结构,总结提出了在加入多官能助引发剂的体系中,对应的反应动力学因素和产物分子结构性能关系,粘弹性能与应用性能关系。


图3 采用光散射研究PPG的结构。a.MC-PPG凝胶松弛时间谱;b.全交联聚合物凝胶松弛时间谱;c.B-PPG凝胶网络均匀性;d.全交联聚合物凝胶网络非均匀性


图4 PPG力学性能(a)水凝胶本体拉伸应力-应变曲线;(b)水凝胶本体强度和韧性图;(c)代表性水凝胶本体表现出优良的抗缺陷能力;(d)代表性水凝胶本体具有优异的压缩抗疲劳性和恢复性能力


  在胜利油田的支持下,该团队也提出了全新的PPG驱油机理。在模拟多孔岩芯的渗流试验中,发现PPG在多孔介质中可以变形通过孔喉,并沿着流动方向运移,在多孔介质孔隙中反复经历动态的 “颗粒积累—颗粒压缩—颗粒变形通过”的边调边驱的演变过程;并具有选择性封堵大孔喉的能力,在高低渗流管并联模型中表现出明显的“液流转向”特点,表明PPG具有高效的剖面调整能力,可大大提高低渗带的波及体积,使低渗带的油藏得到最大程度的开发。中国科学院郭尚平院士认为:由弹性驱油机制的引入创造的这种非连续非均相驱油机理,是对粘性驱油机理的重要补充,也是PPG提高采收率的根本原因。


图5 a.双管并联渗流试验装置;b.双管并联采出液的分流曲线;c.液流转向示意图


  胜利油田以PPG为主剂发明了著名的非均相复合驱技术。自2010年起在胜利油田聚驱后油藏和高温高盐油藏等多个区块先后进行了先导试验和工业推广应用。最早实施的先导试验在胜利油田孤岛中一区Ng3单元开展,采用非均相复合驱技术使采收率高达63.6%,突破了同类聚驱后油藏采收率的极限。继后该技术在胜利孤岛油田、孤东油田、胜坨油田等多个区块实施应用,迄今已动用了2276 吨地质储量,现场均取得了突出的降水增油效果和显著的经济效益(相关成果已在人民日报有价值新闻中报道),因此被列入中国石化示范工程项目,即将大规模推广应用。至此,聚驱后油田如何大幅度提高采收率这一世界性难题终于得以破解。值得指出的是:胜利油田有5.74亿吨储量的聚驱后油藏,全国有15亿吨聚驱后油藏,可预见PPG对保障国家能源安全将作出重大贡献。对此,中国工程院院士李阳表示,非均相复合驱技术具有较高的技术水平和应用价值,引领了(聚合物驱后油田)大幅度提高采收率技术方向,推广应用前景广阔。


四川大学高分子科学与工程学院黄光速教授团队简介



  四川大学高分子科学与工程学院黄光速教授团队由黄光速教授、吴锦荣教授、郑静副教授和陈卫高级工程师等组成,团队主要研究方向是软物质材料(橡胶和水凝胶)的高性能化、功能化及其相关基础理论问题,团队近年主持了多项国家科技重大专项子课题、国家自然科学基金重点和面上项目、公益性行业(农业)科研专项等,在Adv Mater, PNAS, Angew Chem, Macromolecules, J Mater Chem A, ACS Appl Mater Interfaces等期刊上发表SCI论文130余篇,获授权发明专利20余项。


团队联系信息:

Tel:028-85463433,

Email: wujinrong@scu.edu.cn

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(责任编辑:xu)
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